CN118200105A - 一种基于ofdm梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,包括以下步骤:(1)对OFDM信号采用梳状的时频结构,将雷达子载波均匀地插入OFDM子载波中,对雷达通信一体化射频隐身信号采用分组的方式进行功率分配,(2)以最小化总功率为目标函数,将目标检测概率和通信信道容量作为约束条件构建OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号优化模型;(3)采用罚函数法将步骤(2)中的优化模型转化为二次规划问题,采用信赖域方法求解;(4)生成OFDM梳状谱雷达一体化射频隐身信号;本发明有效降低一体化信号的峰值功率,提升一体化信号的射频隐身性能。
Description
技术领域
本发明涉及波形设计技术领域,尤其涉及一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法。
背景技术
由于通信技术的快速发展,使得通信频谱资源紧缺,迫使通信频段逐渐向雷达频段扩展,并逐渐与雷达频段发生重叠,因此,能够实现频谱共享的雷达通信一体化信号技术快速发展。近年来,雷达通信频谱共享技术取得了丰富的结果。其中,基于OFDM梳状谱的雷达通信一体化信号因同时具有较优的雷达分辨性能和通信性能而被广泛研究。然而,此类一体化信号的峰均比较高,导致其抗截获性能较差,易被作用距离远、隐蔽性强的防御方截获设备发现,对雷达通信一体化系统的生存能力产生了严重威胁。因此,射频隐身性能已成为雷达通信一体化信号所面临的新的问题。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供了一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,基于OFDM梳状谱信号的子载波功率优化方法,解决雷达通信一体化信号射频隐身性能较差的问题。
技术方案:本发明所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,包括以下步骤:
(1)对OFDM信号采用梳状的时频结构,将雷达子载波均匀地插入OFDM子载波中,对雷达通信一体化射频隐身信号采用分组的方式进行功率分配,得到发射信号模型、目标检测概率/>和通信信道容量C;
(2)以最小化总功率为目标函数,将目标检测概率和通信信道容量作为约束条件构建OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号优化模型;
(3)采用罚函数法将步骤(2)中的优化模型转化为二次规划问题,采用信赖域方法求解;
(4)根据优化后各分块上的优化系数生成OFDM梳状谱雷达一体化射频隐身信号,再经发射机发射,然后在接收端接收回波信号,最后分别对回波进行雷达处理和通信处理,从而验证信号的雷达探测、通信传输以及抗截获性能。
进一步的,所述步骤(1)中,OFDM信号采用频分复用的时频结构,并采用子载波分块的方法进行一体化信号射频隐身设计。
进一步的,所述步骤(1)中,得到发射信号模型、目标检测概率/>和 通信信道容量C具如下:
OFDM信号基带形式为:
;
其中,M表示子载波数,N表示符号数,T表示符号周期,每个子载波间的频率为,/>表示第n个符号上第m个子载波上调制的通信数据;
在奈曼-皮尔逊准则下判决目标存在的条件为:
;
其中,M为信号子载波数,为热噪声功率谱密度,/> 为信号到目标之间的信道响应,/>为检测门限;
检测概率与虚警概率之间满足的数学关系为:
;
其中,为噪声功率,/>为偏移系数,其表达式为:
;
通信信道容量表达式为:
;
其中,表示第j个通信子载波上分配的功率,/>表示第j个子信道的频率响应,/>表示/>的取模运算,/>表示第j个子信道中的噪声功率。
进一步的,所述步骤(2)中,目标检测概率和通信信道容量分与各通信子信道以及目标脉冲响应有关,根据系统的性能指标进行确定。
进一步的,所述步骤(2)中,优化模型的表达式为:
;
其中,表示系统偏移系数的最低门限,/>表示系统所需通信信道容量的最低门限;其中,在多目标场景中,/>;
其中,代表第k个目标的偏移门限值;系统的系统偏移系数门限需要达到检测目标中偏移系数的最大值。
进一步的,所述步骤(3)具体如下:首先,一体化射频隐身波形优化模型通过引入松弛变量,其中,/>,将公式(6)转化为:
;
然后通过内点法将不等式约束的优化问题转化成等式约束,同时构造障碍函数,公式如下:
;
设解向量为同时引入罚因子/>则公式(7)转化为:
;
然后,构造拉格朗日函数,公式如下:
;
其中,,/>,/>;
;
将序列二次规划SQP算法应用到公式(10)中,获得二次规划问题:
;
其中,;/>;/>;/>;
;
,/>;/>;
公式(11)中的元素B存在不确定因素,采用信赖域方法来求解,优化问题转化为:
;
其中,表示范数;/> 表示置信域半径;依据公式(11)对优化问题求解,计算出最优的雷达和通信功率优化系数,从而生成OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身波形。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下显著优点:本发明基于OFDM梳状谱框架,设计了一种通信频谱分块功率优化和雷达梳状谱等功率优化的雷达通信一体化射频隐身信号时频结构,该结构使得每块子信道上子载波的功率变得平滑,降低了通信信号的峰均比,提升了信号中通信部分的射频隐身性能。另外,在该时频结构的基础上,将目标检测概率和通信信道容量为约束条件,以最小化信号总功率为优化目标,建立了雷达子载波功率和通信分块子载波功率联合优化模型,并基于SQP以及信赖域的方法设计了功率最小化的求解算法。该优化方法不仅兼顾了通信的有效性和可靠性要求,还提高了雷达通信一体化信号的雷达探测性能与射频隐身性能。
附图说明
图1为本发明的OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号仿真场景图;
图2为本发明的OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号子载波结构图;
图3为本发明的OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号时频结构图;
图4为本发明的雷达探测结果图;
图5为本发明的发送端和接收端通信传输图片效果图;
图6为本发明的接收端通信数据的星座图;
图7为本发明的不同信噪比下的通信误码率图;
图8为本发明方案与传统OFDM一体化射频隐身信号的通信截获概率对比图;
图9为本发明在在不同目标相应下雷达截获概率随偏移系数门限的变化曲线;
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-2所示,本发明实施例提供一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,包括以下步骤:
(1)对OFDM信号采用梳状的时频结构,将雷达子载波均匀地插入OFDM子载波中,对雷达通信一体化射频隐身信号采用分组的方式进行功率分配,得到发射信号模型得到发射信号模型、目标检测概率/>和通信信道容量C;其中,OFDM信号采用频分复用的时频结构,并采用子载波分块的方法进行一体化信号射频隐身设计。
得到发射信号模型、目标检测概率/>和 通信信道容量C具如下:
OFDM信号基带形式为:
;
其中,M表示子载波数,N表示符号数,T表示符号周期,每个子载波间的频率为,/>表示第n个符号上第m个子载波上调制的通信数据;
在奈曼-皮尔逊准则下判决目标存在的条件为:
;
其中,M为信号子载波数,为热噪声功率谱密度,/> 为信号到目标之间的信道响应,/>为检测门限;
检测概率与虚警概率之间满足的数学关系为:
;
其中,为噪声功率,/>为偏移系数,其表达式为:
;
通信信道容量表达式为:
;
其中,表示第j个通信子载波上分配的功率,/>表示第j个子信道的频率响应,/>表示/>的取模运算,/>表示第j个子信道中的噪声功率。
(2)以最小化总功率为目标函数,将目标检测概率和通信信道容量作为约束条件构建OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号优化模型;其中,目标检测概率和通信信道容量分与各通信子信道以及目标脉冲响应有关,根据系统的性能指标进行确定。
优化模型的表达式为:
;
其中,表示系统偏移系数的最低门限,/>表示系统所需通信信道容量的最低门限;其中,在多目标场景中,/>;
其中,代表第k个目标的偏移门限值;系统的系统偏移系数门限需要达到检测目标中偏移系数的最大值。
(3)采用罚函数法将步骤(2)中的优化模型转化为二次规划问题,采用信赖域方法求解;具体如下:首先,一体化射频隐身波形优化模型通过引入松弛变量,其中,/>,将公式(6)转化为:
;
然后通过内点法将不等式约束的优化问题转化成等式约束,同时构造障碍函数,公式如下:
;
设解向量为同时引入罚因子/>则公式(7)转化为:
;
然后,构造拉格朗日函数,公式如下:
;
其中,,/>,
;
;
将序列二次规划SQP算法应用到公式(10)中,获得二次规划问题:
;
其中,;/>;/>;/>;
;/>,
;/>;
公式(11)中的元素B存在不确定因素,采用信赖域方法来求解,优化问题转化为:
;
其中,表示范数;/> 表示置信域半径;依据公式(11)对优化问题求解,计算出最优的雷达和通信功率优化系数,从而生成OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身波形。
(4)根据优化后各分块上的优化系数生成OFDM梳状谱雷达一体化射频隐身信号,再经发射机发射,然后在接收端接收回波信号,最后分别对回波进行雷达处理和通信处理,从而验证信号的雷达探测、通信传输以及抗截获性能。
本发明与传统OFDM信号的雷达性能、通信性能以及射频隐身性能进行分析与验证,仿真参数设置如表1所示:
表1
按照如下步骤进行具体实施:
步骤1: 将线性调频信号进行10倍的时域延拓,在其频域插入采用16 QAM调制的通信数据。OFDM梳状谱雷达通信一体化信号的频域结构如图2所示。
步骤2: 在已知各通信子信道以及目标脉冲响应下,根据式(3)和式(5)构建关于信号子载波功率约束的表达式。设通信优化系数为,雷达优化系数为/>,D为OFDM雷达通信一体化信号分组数,通过调节优化系数来降低信号发射功率。信号模型如图3所示。
步骤3:将改进后的OFDM信号代入式(9)中,再通过信赖域方法求解出各分组上的优化系数。生成OFDM雷达通信一体化发射信号,在图1的场景下,优化算法下的信号的雷达性能结果如图4所示,通信性能结果如图5、6、7所示,射频隐身性能结果如图8、9所示。
图4为在OFDM雷达通信一体化射频隐身信号仿真场景下,节点1上的雷达探测结果,从图中能看出系统检测出了3个目标。图中的目标距离分别为200m,400m,600m,速度分别为20m/s,10m/s,-20m/s。与设置的目标ob1,ob2,ob3的仿真参数一致,所以本发明所设计的OFDM雷达通信一体化射频隐身信号能够实现雷达探测要求。
图5 (a)中是系统发射端发射的图片,图5 (b)是在12 dB信噪比下接收端的图片,可以看出,能够较好的完成的通信传输。图6则是通信接收端通信数据的星座图,此时的通信误码率为。图7是在两种子载波分组信号在不同信噪比下误码率的变化图,当信噪比高于14 dB时,误码率均能处于/>的数量级,能够保证通信数据正确传输,满足通信可靠性要求。
图8是采用不同射频隐身优化方法下通信信号的截获概率随信道容量的变化曲线。其中,黑色曲线是采用传统OFDM优化方法下的截获概率变化曲线,蓝色曲线为采用本发明优化方法下的截获概率变化曲线。从图中可以看出,改进优化方法射频隐身性能较优。
图9是在通信信道容量为120 Mbps下雷达信号截获概率随偏移系数门限变化图。其中雷达截获概率随着偏移系数门限增大而增加。其中场景1中的信道响应较优,当偏移系数门限低于16时场景1下优化信号的截获概率始终低于场景2, 从图中可以看出,改进优化方法收信号到目标之间的信道影响较大。
验证分析结果表示与传统OFDM信号相比,本发明改善了OFDM信号的雷达分辨性能以及信号的峰均比且满足了一体化作战平台的射频隐身性能。
Claims (6)
1.一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对OFDM信号采用梳状的时频结构,将雷达子载波均匀地插入OFDM子载波中,对雷达通信一体化射频隐身信号采用分组的方式进行功率分配,得到发射信号模型、目标检测概率/>和通信信道容量C;
(2)以最小化总功率为目标函数,将目标检测概率和通信信道容量作为约束条件构建OFDM梳状谱雷达通信一体化射频隐身信号优化模型;
(3)采用罚函数法将步骤(2)中的优化模型转化为二次规划问题,采用信赖域方法求解;
(4)根据优化后各分块上的优化系数生成OFDM梳状谱雷达一体化射频隐身信号,再经发射机发射,然后在接收端接收回波信号,最后分别对回波进行雷达处理和通信处理,从而验证信号的雷达探测、通信传输以及抗截获性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,所述步骤(1)中,OFDM信号采用频分复用的时频结构,并采用子载波分块的方法进行一体化信号射频隐身设计。
3.根据权利要求1所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,所述步骤(1)中,得到发射信号模型、目标检测概率/>和通信信道容量C具如下:
OFDM信号基带形式为:
;
其中,M表示子载波数,N表示符号数,T表示符号周期,每个子载波间的频率为,表示第n个符号上第m个子载波上调制的通信数据;
在奈曼-皮尔逊准则下判决目标存在的条件为:
;
其中,M为信号子载波数,为热噪声功率谱密度,/> 为信号到目标之间的信道响应,/>为检测门限;
检测概率与虚警概率之间满足的数学关系为:
;
其中,为噪声功率,/>为偏移系数,其表达式为:
;
通信信道容量表达式为:
;
其中,表示第j个通信子载波上分配的功率,/>表示第j个子信道的频率响应,表示/>的取模运算,/>表示第j个子信道中的噪声功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,所述步骤(2)中,目标检测概率和通信信道容量分与各通信子信道以及目标脉冲响应有关,根据系统的性能指标进行确定。
5.根据权利要求1所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,所述步骤(2)中,优化模型的表达式为:
;
其中,表示系统偏移系数的最低门限,/>表示系统所需通信信道容量的最低门限;其中,在多目标场景中,/>;
其中,代表第k个目标的偏移门限值;系统的系统偏移系数门限需要达到检测目标中偏移系数的最大值。
6.根据权利要求1所述的一种基于OFDM梳状谱信号的雷达通信一体化射频隐身波形设计方法,其特征在于,所述步骤(3)具体如下:首先,一体化射频隐身波形优化模型通过引入松弛变量,其中,/>,将公式(6)转化为:
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然后通过内点法将不等式约束的优化问题转化成等式约束,同时构造障碍函数,公式如下:
;
设解向量为同时引入罚因子/>则公式(7)转化为:
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然后,构造拉格朗日函数,公式如下:
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陈春晖;张群;罗迎;: "一种步进频率信号认知雷达波形优化设计方法", 航空学报, no. 07, 14 March 2016 (2016-03-14) * |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant |